片上光网络及其关键低能耗光子集成器件

　　日前，在“2012国际光纤通信论坛”上，中国科学院半导体研究所研究员成步文，发表了以“片上光网络及其关键低能耗光子集成器件”为题的演讲。　　成步文：各位来宾上午好！我是成步文。今天报告跟前面都是差别必须大，赵院长超长距离大容量一个宏观。我再介绍片上光光网络，比较微观一个小短距离。首先介绍一下为什么需要片上光网络？以及基本构架，对光子器件的基本要求，以及目前研究现状，最后一个结束语。

　　我们知道随着信息技术发展，数据容量、数据处理容量都是大规模爆炸式增长。这样虽然我们这个信息是一个低能耗，由于它的爆炸性增长使得这个能耗迅速上升，它在国民经济占有能耗比重也上升。所以，我们在信息技术农业发展绿色技术，不仅满足对信息的要求，还要满足节能减排。光子技术应用实际上降低能耗重要的手段，我们看到通信网络骨干网络接入网到家庭网络，所以这个降低能耗。我们用了光子技术就能降耗，我们光子本身还要进一步降低能耗。

　　还有一个信息技术超大规模计算机，看到这个计算机如果往后我们拿到百亿次超级计算的功能这个大的惊人，我们有新的技术才能突破这个能耗问题。从这个柜间的网络以及到板间，到模块间，到芯片间拓展。进一步这个光子技术应用在芯片里面是不是也需要光子技术应用呢？大家确实大家认为是芯片里面，以后我们也需要光子信息的应用。

　　因为微电子芯片遇到的挑战，主要就是特征线宽的减少，微电子芯片中的信息传输成为性能提高的瓶颈，主要表现在时延增大，功能剧增。信息传输时延比能时延还要高很多。右边这个能耗，信息的传输所占的能耗，占整个芯片能耗大部分。所以，要解决芯片能耗问题，用多核芯片是解决能耗一个手段。我们现在从4核发展到8核，以后要发展到16核。所以这个多核技术是未来高端芯片发展一个趋势。

　　实现这么多核，核与核之间信息的传输，随着核的数目的增长，共享总线通信的方法在拓展性等方面存在局限性， 需要采用网络结构。但是，如果片上光通信网络面临的瓶颈，信号要缓冲，再生等多过程才能到达终点，所以时延比较大。过程中需要很多的功耗，功耗也比较大，在规模大光网，最后电网也存在一些问题。

　　我们想研究一个是两个方面，一个是结构优化的设计和能耗管理，还有低能耗光子集成器件是实现片上光网络的基础。那么片上光网络是一种超短距离的光通信系统，主要包括光发射，光路由，光接收等部分。举个例子，光学时钟分配网络，光从一个源发射出来，就是信号出来以后，经过一个整个波导以后，这个信号传输到每个核，核地区有一个光的接收。

　　再举个例子，就是混合MESH网络，与MESH光落比较，激光器和光电转换减少75%，时延减40%，功耗减42%。电控光传。与E-Noc相比，性能提高到3.1倍，能耗减少92%，时延减少52%。还有一个设计一个片上片下网络这么一个光网络统一的设计，所以片上光网络不仅自己简单设计，还有一个片下光网络联合设计，更低降低它的能耗。

　　片上光网络对光子器件的基本要求，最基本一点他希望跟西门子工艺兼容性好，立足于SI材料和硅基IV族材料。还有光子器件必须要微纳化，光子器件不能占据太大面积，尺寸与光子学器件尺寸基本匹配。举个例子，看相关的重要器件，一个是光发射，一个是接收，一个传输，发射器现在来讲硅基情况下实现，大家说能不能做片下的东西，但是我们观点认为可能以后芯片片上激光和片下激光相结合，所以我们可能这两者方式去要。传输我们想包括一些网络波导网络，复用。

　　硅基高效发光器件，我们做的归纳就是动量守恒制约，辐射跃迁需绳子参与，多体过程，辐射跃迁几率低。载流子区域。Ge是否可以实现激光，有可能。应变提高的GE发光效率，无应变GE的能带结构，张应变为1.8%时GE的能带结构。所以我们还想其他方式，比如我们这里面掺杂，应变加掺杂。我们还有GESN合金，准直接带，提高发光效率，6%的时候就可以实现直接带。基于GE的IV组材料发光器件历程，从07到2012年电泵激光的实现。现在目前规格试图材料还没有实现，比较好的。

　　比利时做是微盘激光器，可以发射不同的光的波长。硅基高速光调制器，基于载流子等离子色散效应，相位芯，MZI等等。基于等离子色散效应的硅基光调制器，电学结构，也有光学结构，FP腔，微环谐振腔。还有一个就是GE量子井的量子限制STark效应。SIGE量子井STARK效应。还有这个F-K效应GESI光调制器，可以实现吸收波长的鸿仪。

　　不同结构硅基电光调脂得气比较，MZI型，尺寸大，功耗高，继承性比较差，性能最好。微环型，尺寸小，温度和工艺敏感性大，要控温。EA型，尺寸小，速度快，功耗低，适合集成。但是有一部分他现在正成熟期。

　　主要目的就是级低电容高速高响应PD是方向和难点，这个是以后发展方向。光路由器，够出一个无组塞4×4光路由器。主要基于微环结构，热光效应，功耗较大，速度较慢。这样方式速度慢，基本应用主要是一个信号调控，一个路由而已。以后光电效应也是可以实现的。

　　最后，片上光网络是未来高端众核芯片关键技术，光见得光子器件已基本研制出来，降低功耗将是主要路线。